模电工程化设计第一部分实战项目1设计报告
一、项目要求分析
音频信号采集首先通过传感器将声音信号转化为电信号，然后通过模数转换器将模拟信号转化为数字信号，最后通过单片机或上位机将数字信号转化成波形显示。
被测音频信号的频率范围为100Hz到16KHz，为了滤除不需要的信号，需要设计100Hz~16KHz的带通滤波器；被测音频信号幅度范围为0.1mVpp到1Vpp，而实验所用的数模转换器AD7920，供电电压VDD为2.35V~5.25V，模拟输入电压范围为0~VDD，当选用5V供电时，模拟输入电压范围为0~5V，部分幅度的音频信号过小，需要设计放大电路进行信号放大，另外部分幅度较大的音频信号采用小增益放大，所以还需要设计模拟开关电路，进行信号放大增益的切换。
音频信号采集前端电路的整体设计如下图：
图1整体设计
二、电路设计
项目要求被测音频的信号幅度为0.1mVpp到1Vpp，信号频率为100Hz到16KHz，该音频信号为传感器输出的电信号，针对该信号设计带通滤波电路、模拟开关、信号放大电路，使调理后的信号符合数模转换器AD7920的模拟输入电压范围。
2.1带通滤波电路设计
滤波电路可以分为有源滤波电路和无源滤波电路，有源滤波电路采用多个运算放大器与电阻、电容的组合进行滤波，由于运算放大器型号有限，本设计采用无源滤波电路。
相比于巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器，贝塞尔滤波器在通频带上的相位响应近乎呈线性，可以保持通频带内被过滤的信号波形，因此贝塞尔滤波器常用在音频天桥系统中。
采用7阶无源贝塞尔滤波电路实现对100Hz~16KHz信号的带通滤波，电路设计如图2，LTspice仿真结果如图3，该电路滤波效果很好，通带内频率响应平坦，通带外信号衰减迅速。
图2滤波电路设计
图3滤波电路仿真
但是该电路设计元件多，电路复杂，而且电阻、电容、电感都是精确值，不是标准值，难以找到合适元件搭建电路。因此考虑对滤波电路进行简化，一方面减小滤波器的阶数，一方面允许元器件数值的误差，采用现有的元器件代替设计中的精确值完成电路搭建。精确计算的3阶贝塞尔滤波电路如图4，LTspice仿真结果如图5，采用现有的标准电容、电感代替近似代替精确结果的电路设计如图6，该仿真结果如图7，比较图5与图7的仿真结果，简化电路可以替代精确设计达到带通滤波的效果。
图4滤波电路设计
图5滤波电路仿真
图6简化电路设计
图7简化电路仿真
2.2模拟开关设计
对于不同幅度的音频信号，需要进行不同的增益处理，小信号需要增益放大，以达到AD7920的驱动要求，还能提高探测精度，大信号则不需要增益，以免超出AD7920驱动电流的范围。随意针对不同大小的信号，需要切换不同的增益电路，这就需要在电路中添加模拟开关控制不同电路的切换。
由于ADALP2000套件中没有模拟开关，拟采用比较器加三极管的组合控制两条电路的通断，再通过改变比较器的输入电流，控制不同增益的切换。当输入信号为小信号时，使控制电压Vcom取1V，电路原理图如图8，仿真结果如图9，可见小信号从上方电路通过，下方电路断路，没有信号通过；当输入信号为大信号时，使控制电压Vcom取-1V，电路原理图如图10，仿真结果如图11，可见大信号从下方电路通过，上方电路断路，没有信号通过。
这样就实现了通过控制电压Vcom的变化控制两条电路的通断，然后在两条电路中加入不同的信号增益电路，即可实现对不同信号的不同增益。
图8小信号电路图
图9小信号电路仿真结果
图10大信号电路图
图11大信号电路仿真结果
2.3增益电路设计
输入信号为0.1mVpp~1Vpp，AD7920的模拟输入电压为
0~VDD，当AD7920供电电压为5V时，模拟输入为0~5V，即需要将0.1mVpp~1Vpp的信号，放大到0~5V电压范围。
针对小信号0.1mVpp~0.1Vpp，采用运算放大器AD8542进行约40倍放大，并将信号直流偏置2.5V左右，电路原理图如图12。当输入信号为0.1mVpp时，经过运算放大电路，信号放大、偏置到2.4533~2.4574V，即约40mV，仿真结果如图13；当输入信号为0.1Vpp时，经过运算放大电路，信号放大、偏置到0.4~4.8V，即约4Vpp，仿真结果如图14。总体而言，信号放大电路约有40倍的信号增益，和约2.4~2.6V的直流偏置，符合AD7920模拟信号的输入范围0~5V。
图12小信号大增增益电路图
图13 0.1mVpp信号放大仿真结果
图14 0.1Vpp信号放大仿真
针对小信号0.1Vpp~1Vpp，采用运算放大器AD8542进行约3.5倍放大，并将信号直流偏置2.5V左右，电路原理图如图15。当输入信号为1Vpp时，经过运算放大电路，信号放大、偏置到0.9~4.5V，即约3.6V，仿真结果如图13。总体而言，信号放大电路约有3.5倍的信号增益，和约2.7V的直流偏置，符合AD7920模拟信号的输入范围0~5V。
图15大信号增益放大电路
图16 1Vpp信号放大仿真
2.4总体电路设计
将上述三部分电路连接在一起，统一组成信号处理电路，对信号完成滤波、增益、直流偏置的处理，总体电路图如图17，当不同电路连接在一起时，相互之间难免产生影响，所以还需要对连接好的总体电路进行仿真测试：针对总体电路的滤波效果进行仿真测试，结果如图18，可见电路的滤波效果并无太大变化，满足 100Hz~16KHz的带通滤波要求。
针对小信号的增益效果进行仿真测试，输入5KHz、0.1mVpp的小信号，仿真结果如图19，小信号偏置、放大到2.8104~2.8125V，信号增益了约20倍；针对大信号的增益效果进行仿真测试，输入5KHz、1Vpp的大信号，仿真结果如图20，大信号偏置、放大到1.85~3.53V，信号增益了约1.7倍。总体而言，电路的增益效果有所衰减，但能够满足AD7920的模拟信号输入范围。
图17总体电路图设计
图18电路滤波效果
图19 0.1mVpp小信号仿真结果
图20 1Vpp大信号仿真结果
三、实验验证
见录制视频。
